线性约束最小方差对角加载的稳健频率不变波束形成方法技术

本发明专利技术公开了一种线性约束最小方差对角加载的稳健频率不变波束形成方法，该方法基于线性约束最小方差准则，通过空间响应偏差函数定义阵列空间响应偏差函数的平衡矩阵，并将该矩阵引入到线性约束最小方差波束形成方法中，得到了线性约束最小方差宽带频率不变波束形成方法，通过凸优化工具箱CVX，在约束边界上求得迭代全局最佳解。本发明专利技术方法提高了存在麦克风特性误差时的稳健性，解决了麦克风的增益、相位和位置等的不确定性造成失配误差问题。本发明专利技术方法在多通道语音增强、人机语音交互系统、助听器、车载免提语音通信、远程电视会议系统以及机器人听觉等诸多领域具有广泛的应用。

Robust frequency invariant beamforming method for linearly constrained minimum variance diagonal loading

The invention discloses a robust frequency linear constrained minimum variance diagonal loading invariant beamforming method based on linear constrained minimum variance criterion, through spatial deviation function definition array spatial response equilibrium matrix deviation function response, and the matrix into linear constrained minimum variance beamforming method, the linear constrained minimum the variance of broadband frequency invariant beamforming method using convex optimization toolbox of CVX, the global best solution in iterative constraint boundary. The method of the invention improves the robustness of the microphone characteristic error, and solves the mismatch error caused by the uncertainty of the gain, phase and position of the microphone. The method of the invention has wide application in many fields, such as multi-channel speech enhancement, human-computer interaction system, hearing aid, car hands-free voice communication, remote video conference system and robot hearing.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及稳健麦克风阵列波束形成
，特别是线性约束最小方差对角加载的稳健频率不变波束形成方法。
技术介绍
麦克风阵列波束形成技术源于阵列天线波束形成的思想。为了提高阵列输出性能，许多经典的波束形成方法相继提出。传统的线性约束最小方差波束形成方法是使阵列天线方向图的主瓣指向期望信号方向，而且使其零陷对准干扰信号方向，以提高阵列输出所需信号的强度并减小干扰信号的强度，从而提高阵列的输出性能。然而，该方法主要是用来设计窄带天线波束形成方法权向量的，不适合用于设计麦克风阵列宽带波束形成方法权向量的。如果用传统的线性约束最小方差波束形成方法来处理麦克风阵列宽带波束形成问题，会造成波束形成所得到的波束主瓣随频率的不同而发生畸变，也就是说，不同频率的波束形状是不一样的，不具有宽带频率不变性。因此，很有必要研究宽带频率不变波束形成问题。为了实现宽带频率不变波束形成，学者们做了一些尝试，其中，最小二乘频率不变波束形成方法通带范围太宽，期望信号分辨率太低；超指向性宽带频率不变波束形成方法需要共形阵列结构，计算复杂；球面阵宽带波束形成方法需要球面阵列结构，不易于物理实现及实际应用；且在实际应用过程中，通常存在麦克风的增益、相位和位置等不确定性造成的失配误差，这些误差会引起阵列响应矢量的畸变，造成波束形成器的性能下降。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种线性约束最小方差对角加载的稳健频率不变波束形成方法，本专利技术方法基于线性约束最小方差准则，通过空间响应偏差函数定义阵列空间响应偏差函数的平衡矩阵，并将该矩阵引入到线性约束最小方差波束形成方法中，得到了线性约束最小方差宽带频率不变波束形成方法，能提高存在麦克风特性误差时的稳健性，并解决麦克风的增益、相位和位置等的不确定性造成失配误差问题；最后通过凸优化工具箱CVX，在约束边界上求得迭代全局最佳解。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：根据本专利技术提出的一种线性约束最小方差对角加载的稳健频率不变波束形成方法，麦克风阵列的接收信号x(k)经过宽带波束形成器得到其输出信号y(k)：y(k)＝wHx(k)；其中，上标H表示共轭转置，w是宽带波束形成器的权向量，w＝[w11,…,wM1,…,w1L,…,wML]T，wML表示第M个麦克风通道第L个权系数，上标T表示转置，k表示时间序列；x(k)＝[x11(k),…,xM1(k),…,x1L(k),…,xML(k)]T，xML(k)表示第M个麦克风通道第L个接收信号；宽带波束形成器的权向量w为：w＝(Rxx+αRPS+λεI)-1C(CH(Rxx+αRPS+λεI)-1C)-1F；其中，Rxx＝E[x(k)xT(k)]为麦克风阵列接收信号x(k)的自相关矩阵；I是单位矩阵且I的维数与Rxx的维数相同；C＝[d(f0,θ),d(f1,θ),…d(fn,θ),…d(fN-1,θ)]为ML×N维约束矩阵，fn为第n个频率，表示频率为fn、场点角度θ时的麦克风阵列响应矢量，0≤n≤N-1，N是频率个数，a(fn,θ)表示为频率为fn、场点角度θ时的空时二维导向矢量，D0(fn)表示频率为fn时麦克风阵列的延迟函数矢量，表示矩阵的Kronecker积；F为N×1约束值矢量，且F=[e-jπf0(L-1)/fs,...,e-jπf1(L-1)/fs,...,e-jπfN-1(L-1)/fs],j=-1,]]>e是自然底数，fs是采样频率；α是矩阵加权系数且是正常数，RPS为阵列空间响应偏差函数的平衡矩阵，λ是对角加载值，ε是正数。作为本专利技术所述的一种线性约束最小方差对角加载的稳健频率不变波束形成方法进一步优化方案，所述宽带波束形成器的权向量w的获取步骤如下：步骤a)：将线性约束最小方差波束形成设计问题表示为：其中，min表示取最小值，s.t.表示约束条件；步骤b)：将空间响应偏差函数SRV引入到步骤a)所述的线性约束最小方差波束形成设计问题中，得到线性约束最小方差宽带频率不变波束形成设计问题为minwwH(Rxx+αRPS)ws.t.CHw=F,]]>将该优化问题转换为二阶锥规划问题，然后采用已有的内点方法求解；其中，所述空间响应偏差函数SRV为SRV=Σn=0N-1Σq=0Q-1|wHd(fn,θq)-wHd(fref,θq)|2,]]>进一步表示为SRV＝wHRPSw＝wH[(1-β)RP+βRS]w；式中，0≤q≤Q-1，Q表示场中选取的场点数；fref表示参考频率；θq是场中第q个场点到坐标原点的角度；d(fn,θq)为场中频率为fn、场点角度为θq时的阵列响应矢量，d(fref,θq)为场中参考频率fref、场点角度为θq时的参考阵列响应矢量；当波束形成具有频率不变的空时二维响应时，SRV为零，此时信号无失真输出；RPS＝(1-β)RP+βRS为阵列空间响应偏差函数的平衡矩阵，其中,β是平衡频率不变性与阻带衰减的参数，0＜β＜1，RP是频率为fn、场点角度为θq时的阵列响应矢量d(fn,θq)与参考频率fref、场点角度为θq时的参考阵列响应矢量d(fref,θq)间偏差矢量的矩阵，即RP＝(d(fn,θq)-d(fref,θq))H(d(fn,θq)-d(fref,θq))，RS是参考频率fref、场点角度为θq时的参考阵列响应矢量d(fref,θq)的矩阵，且RS＝dH(fref,θq)d(fref,θq)；步骤c)：在存在失配误差的情况下，将对角加载方法引入到步骤b)所述的线性约束最小方差宽带频率不变波束形成设计问题中，得到线性约束最小方差对角加载的稳健频率不变波束形成设计问题为minwwH(Rxx+αRPS)ws.t.CHw=F,ϵwHw≤ζ,]]>其中，ζ是约束值，ζ≥1/M；步骤d)：由步骤c所得到的线性约束最小方差对角加载的稳健频率不变波束形成设计问题，按拉格朗日乘子法定义确定权向量w的拉格朗日函数，即L(w,λ,μ)＝wH(Rxx+αRPS)w+λ(εwHw-ζ)+μH(CHw-F)其中，μ是N×1维向量；步骤e)由步骤d所得的拉格朗日函数对L(w,λ,μ)的wH求导，并且令导数为0ML×1，得(Rxx+αRPS)w+λεw+Cμ＝0进一步得权向量w为w＝(Rxx+αRPS+λεI)-1Cμ由约束条件CHw＝F和式(Rxx+αRPS)w+λw+Cμ＝0，解之得μ＝(C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种线性约束最小方差对角加载的稳健频率不变波束形成方法，其特征在于，麦克风阵列的接收信号x(k)经过宽带波束形成器得到其输出信号y(k)：y(k)＝wHx(k)；其中，上标H表示共轭转置，w是宽带波束形成器的权向量，w＝[w11,…,wM1,…,w1L,…,wML]T，wML表示第M个麦克风通道第L个权系数，上标T表示转置，k表示时间序列；x(k)＝[x11(k),…,xM1(k),…,x1L(k),…,xML(k)]T，xML(k)表示第M个麦克风通道第L个接收信号；宽带波束形成器的权向量w为：w＝(Rxx+αRPS+λεI)‑1C(CH(Rxx+αRPS+λεI)‑1C)‑1F；其中，Rxx＝E[x(k)xT(k)]为麦克风阵列接收信号x(k)的自相关矩阵；I是单位矩阵且I的维数与Rxx的维数相同；C＝[d(f0,θ),d(f1,θ),…d(fn,θ),…d(fN‑1,θ)]为ML×N维约束矩阵，fn为第n个频率，表示频率为fn、场点角度θ时的麦克风阵列响应矢量，0≤n≤N‑1，N是频率个数，a(fn,θ)表示为频率为fn、场点角度θ时的空时二维导向矢量，D0(fn)表示频率为fn时麦克风阵列的延迟函数矢量，表示矩阵的Kronecker积；F为N×1约束值矢量，且F=[e-jπf0(L-1)/fs,...,e-jπf1(L-1)/fs,...,e-jπfN-1(L-1)/fs],j=-1,]]>e是自然底数，fs是采样频率；α是矩阵加权系数且是正常数，RPS为阵列空间响应偏差函数的平衡矩阵，λ是对角加载值，ε是正数。...

【技术特征摘要】
1.一种线性约束最小方差对角加载的稳健频率不变波束形成方法，其特征在于，麦克
风阵列的接收信号x(k)经过宽带波束形成器得到其输出信号y(k)：y(k)＝wHx(k)；其中，上
标H表示共轭转置，w是宽带波束形成器的权向量，w＝[w11,…,wM1,…,w1L,…,wML]T，wML表示
第M个麦克风通道第L个权系数，上标T表示转置，k表示时间序列；x(k)＝[x11(k),…,xM1(k),…,x1L(k),…,xML(k)]T，xML(k)表示第M个麦克风通道第L个接收信号；
宽带波束形成器的权向量w为：
w＝(Rxx+αRPS+λεI)-1C(CH(Rxx+αRPS+λεI)-1C)-1F；
其中，Rxx＝E[x(k)xT(k)]为麦克风阵列接收信号x(k)的自相关矩阵；I是单位矩阵且I
的维数与Rxx的维数相同；C＝[d(f0,θ),d(f1,θ),…d(fn,θ),…d(fN-1,θ)]为ML×N维约束矩
阵，fn为第n个频率，表示频率为fn、场点角度θ时的麦克风阵列响应
矢量，0≤n≤N-1，N是频率个数，a(fn,θ)表示为频率为fn、场点角度θ时的空时二维导向矢
量，D0(fn)表示频率为fn时麦克风阵列的延迟函数矢量，表示矩阵的Kronecker积；F为N×
1约束值矢量，且F=[e-jπf0(L-1)/fs,...,e-jπf1(L-1)/fs,...,e-jπfN-1(L-1)/fs],j=-1,]]>e是自然底数，fs是
采样频率；α是矩阵加权系数且是正常数，RPS为阵列空间响应偏差函数的平衡矩阵，λ是对角
加载值，ε是正数。
2.根据权利要求1所述的一种线性约束最小方差对角加载的稳健频率不变波束形成方
法，其特征在于，所述宽带波束形成器的权向量w的获取步骤如下：
步骤a)：将线性约束最小方差波束形成设计问题表示为：其中，
min表示取最小值，s.t.表示约束条件；
步骤b)：将空间响应偏差函数SRV引入到步骤a)所述的线性约束最小方差波束形成设
计问题中，得到线性约束最小方差宽带频率不变波束形成设计问题为
minwwH(Rxx+αRPS)ws.t.CHw=F,]]>将该优化问题转换为二阶锥规划问题，然后采用已有的内点方法求解；
其中，所述空间响应偏差函数SRV为
SRV=Σn=0N-1Σq=0Q-1|wHd(fn,θq)-wHd(fref,θq)|2,]]>进一步表示为
SRV＝wHRPSw＝wH[(1-β)RP+βRS]w；
式中，0≤q≤Q-1，Q表示场中选取的场点数；fref表示参考频率；θq是场中第q个场点到坐
标原点的角度；d(fn,θq)为场中频率为fn、场点角度为θq时的阵列响应矢量，d(fref,θq)为场
中参考频率fref、场点角度为θq时的参考...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭业才，陈小燕，顾亚健，何川，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32